UTILIZACIÓN COMO RECURSO EDUCATIVO EN LA …palas de aerogeneradores a partir de datos de...

IV Congreso Argentino de Ingeniería – X Congreso Argentino de Enseñanza de la Ingeniería

19 al 21 de septiembre de 2018 - Córdoba

Juan AbertoFarina, Facultad Regional Rosario (UTN), [email protected]

Adrián Masetro,Facultad Regional Rosario (UTN),[email protected]

Juan Cruz Martelleti, Facultad Regional Rosario (UTN), [email protected]

NicolasGrussi,Facultad Regional Rosario (UTN), [email protected]

Resumen— Este trabajo está centrado en la formación e investigación para obtener

distintas piezas específicas para su aplicación en cada una de las áreas de ingeniería de

nuestra facultad, como así también para el empleo más general en las materias de las

áreas básicas. Se desarrolla y calcula las palas de un aerogenerador de tipo axial y

sepuede predecir de manera lo más precisa posible el comportamiento de éste frente al

viento, teniendo en cuenta la generación de potencia y los esfuerzos de arrastre a los que

serán sometidas las palas. Utilizamos un software de código abierto para generar la

parametrización de la pala y otro software en base a una macro hecha en excel para el

cálculo del arrastre y la potencia. El proyecto incluye un prototipo de generador eólico

impreso en 3D el cual se somete a ensayo para predecir el comportamiento frente a

diversas situaciones de modo de corroborar los datos, disminuir errores en las matrices

de fibra debidas a problemas con los cálculos de modelización. La tecnología 3D es un

nuevo modo de dar soporte a las actividades de enseñanza-aprendizaje para el desarrollo

de competencias en los alumnos del ciclo básico universitario donde la producción

digital adquiere relevancia no solo en la educación, sino también en la investigación

creativa.

Palabras clave— impresión 3D, aerogenerador, ingeniería.

1. Introducción

La instalación en el ámbito de la educación de la utilización de equipos tecnológicos

para el acompañamiento educativo con el consecuente desarrollo de competencias al

respecto, ha calado fuerte desde hace algunos años. En ese sentido, el ámbito educativo

debe hacerse eco e investigar cómo estos dispositivos tecnológicos son utilizados para

construir conocimiento así como clarificar el desarrollo de competencias en los

estudiantes a partir de su utilización enmarcado en un proyecto didáctico pedagógico.

La tecnología 3D ha crecido y evolucionado en los últimos años de manera de manera

muy rápida y su incorporación a la educación es una de las actividades a las cuales

diversas instituciones educativas y por cierto la universidad no puede dejar de lado su

incorporación en los procesos de enseñanza aprendizaje.

UTILIZACIÓN COMO RECURSO EDUCATIVO EN LA EDUCACIÓN

SUPERIOR DE LA IMPRESION 3D: MODELOS DE PALAS DE

AEROGENERADORES A PARTIR DE DATOS DE MODELIZADO EN

SOFTWARE.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Utilización como recurso educativo en la educación superior de la impresión 3d: modelos de palas de aerogeneradores a partir de datos de modelizado en software



Desde el año 2017, ha sido posible generar por este procedimiento maquetas y/o

prototipos realizados por los propios alumnos. El proyecto, financiado por la Dirección

Nacional de Desarrollo Universitario y Voluntariado de la Secretaría de Políticas

Universitarias del Ministerio de Educación y Deportes de la Nación, es ejecutado por un

conjunto de docentes y estudiantes de la Facultad Regional Rosario de la Universidad

Tecnológica Nacional, decididos a conformar un grupo de trabajo interdisciplinario y

aunar esfuerzos para el logro de los objetivos propuestos.

La tecnología de impresión 3D, nos da la posibilidad de modelar objetos permitiendo la

conversión de un diseño digital en un objeto físico, en un proceso en el que interviene el

software de diseño (tipo Autocad), el equipamiento de la propia impresora y la

computadora. Un análisis del uso de esta tecnología en educación nos permitirá su

implementación en diversos campos de la enseñanza, ya sea creando material educativo,

como empleando la tecnología para promover aprendizajes en todas las áreas de la

ingeniería.

En ese contexto utilizamos la impresión 3D con alumnos de Ingeniería mecánica donde

uno de los profesores propone una actividad de diseño de una pala para un

aerogenerador, que contemple no solo actividades enmarcadas dentro de lo que es la

ingeniería mecánica sino también la utilización de conceptos físicos involucrados en el

diseño.Esta pala de pequeñas dimensiones se aprovechará como herramienta de estudio

para los alumnos de ingeniería mecánica

2. Propuesta metodológica

El diseño de una pala de un aerogenerador de eje horizontal que proponemos se

inscribe en una etapa de aprendizaje tanto de las cuestiones metodológicas a tener en

cuenta como del tipo de pala prototipo que pretendemos construir a partir de la

impresión 3D.

Si bien involucra aspectos de diseño complejos para alumnos de los primeros años de la

carrera de Ingeniería Mecánica, no deja de ser una actividad motivadora. La misma está

centrada en estudiar los aspectos relacionados con la posición correcta del perfil

teniendo en cuenta la dirección del viento.

Varol y otros [1], describen los aspectos antes mencionados, mientras que Bansal y

otros [2], detallan principales consideraciones cuando al diseño de aerogeneradores se

refiere como tamaño, peso y características más generales.

Con la asistencia de dos software concatenados (GAST y RAFT)1 se modela y calcula

la geometría de la pala en función de cierta condición inicial. Dicho input tiene como

output esfuerzos sobre la pala y la generación teórica de potencia del aerogenerador.

Para verificar que estos datos sean reales se ha decidido construir una pala, utilizando

conceptos aerodinámicos y técnicas para la unión de los segmentos aerodinámicos de

pala como así también técnicas de acabado superficial para poder someterla a ensayo.

1RAFT: Software para dimensionamiento de pala según distribuciones de los perfiles aerodinámicos seleccionados. GAST: Software de simulación matemática para calcular esfuerzos de arrastre y potencia teórica generada para diferentes condiciones. Trabaja en función de datos obtenidos de RAFT.




La alta variabilidad es un problema cuando se utiliza la energía eólica y no entramos en

detalle en el uso de la pala ni del mecanismo que propiciará sobre la orientación de la

misma, llamado Pitch control2.

3. Características del perfil aerodinámico

El elemento básico de un aerogenerador o turbina de viento es el rotor, que está formado

por una o varias hélices o palas. Dichas palas son las que permiten realizar la conversión

de la energía contenida en el viento, a energía mecánica en el eje del rotor que

finalmente por medio del generador se convertirá en energía eléctrica. Por ello las palas

deben poseer ciertas características y especificaciones según la utilización para las

cuales son destinadas.

Cada perfil posee un estudio de su coeficiente de sustentación Cl, coeficiente de arrastre

Cd y la relación entre ambos Cl/Cd, todo esto en función de distintos valores del ángulo

de ataque α y para un intervalo de números de Reynolds comprendido entre 100.000 y

500.000 (Ver en tabla 1).

3.1 Palas de un Aerogenerador

En el rotor están situadas las palas, cuyo número es variable según los casos; cada pala

tiene un perfil que tiene forma aerodinámica; éstos perfiles tienen un extremo romo, que

es el borde de ataque mientras que el otro extremo, de forma afilada, es el borde de

salida. Los perfiles tienen distintos nombres según su geometría. Se denominan

biconvexos si el intradós y el extradós son convexos y plano-convexos si tienen el

extradós convexo y el intradós plano y de doble curvatura si el intradós y el extradós

son cóncavos.

3.2 Tipo de Perfil Aerodinámico

El tipo de perfil aerodinámico es uno de los parámetros de diseño más determinantes en

el funcionamiento de las turbinas eólicas. La influencia del perfil sobre el coeficiente de

potencia del aerogenerador viene determinada por el llamado rendimiento aerodinámico

L/D, que es el cociente entre la fuerza de sustentación y la de arrastre. Esta dependencia

se aprecia claramente cuando el aerogenerador entra en pérdida ya que el cociente L/D

se reduce drásticamente y de igual forma el coeficiente de potencia.

Para los aerogeneradores de alta velocidad el rendimiento aerodinámico es un parámetro

clave en el diseño del rotor; mientras que para aerogeneradores de baja velocidad el

factor de diseño dominante es el número de palas frente al rendimiento aerodinámico,

que no juega un papel decisivo.

Un perfil empleado en las palas de una turbina de viento son similares a los empleados

en una sección del ala de un avión. En el estudio de los perfiles se ignora la

configuración en proyección horizontal de la pala, como así también los efectos de

extremo de la pala, flecha, alabeo y otras características de diseño.

3.3 Terminología empleada en perfiles

2Pitch control: Se utiliza para regular la curva de potencia de un aerogenerador eléctrico

acoplado al rotor. Este tipo de sistemas hace que los desequilibrios de potencia debido a los incrementos en la velocidad de viento se suavicen y mantiene al aerogenerador en su potencia nominal.




En el diseño de palas es necesario mantener claro una serie de conceptos:

- La cuerda c, es una línea recta que une el borde de ataque y el borde de fuga del perfil.

Todas las dimensiones de los perfiles se miden en términos de la cuerda.

- La línea de curvatura media es la línea media entre el extradós y el intradós.

- Curvatura máxima es la distancia máxima entre la línea de curvatura media y la línea

de cuerda.

- La posición de la curvatura máxima Xf, es importante en la determinación de las

características aerodinámicas de un perfil.

- Espesor máximo Xd, es la distancia máxima entre la superficie superior e inferior

(extradós e intradós).

- Borde de ataque: es la zona anterior del perfil.

- Borde de salida: es la zona posterior del perfil.

- Extradós: cara de presión.

- Intradós: cara de succión.

- Radio del borde de ataque rN es una medida del afilamiento del borde de ataque.

- Coordenadas yo(x) e yu(x), indican las coordenadas del extradós y del intradós

respectivamente.

Figura 1. Terminología aplicada a perfiles

3.4 Perfiles usados comúnmente en turbinas de viento de baja potencia

En la Tabla 1, se presenta un resumen de diferentes tipos de perfiles aerodinámicos que

son usados en la actualidad para diseños de aerogeneradores de baja potencia.

Tabla 1. Resumen de perfiles usados en aerogeneradores de baja potencia




Fuente: FGLONGATT/R-2009-12

Para cada perfil se resaltan sus características más importantes como son: grosor o

espesor del perfil, la curvatura que posee, el máximo valor del coeficiente de

sustentación, así como el ángulo de ataque en el cual logra dicho valor. También se

muestra el valor máximo de L/D y el ángulo en el que lo logra; y finalmente el valor de

Cl que permite la máxima relación L/D. Esta relación es fundamental para la existencia

de la sustentación en un perfil, tal y como se verá en los análisis posteriores.

3.5 Propuesta de unión y tratamiento de superficies de los segmentos de pala

impresos

Para la pala en cuestión utilizamos 12 segmentos aerodinámicos impresos en una

impresora 3D los cuales deberán unirse y tratarse superficialmente para lograr la pala

final a ensayar. Se propone que el ensayo de la pala sea hecho en un túnel de viento

montada sobre un generador real. Es decir que la pala como elemento mecánico estará

sometido a las solicitaciones reales de trabajo. Como se observa en las figuras 2 y 3, los

segmentos impresos tienen baja resistencia mecánica y una terminación superficial

irregular debido a la huella que deja el filamento plástico en cada capa de impresión.

Por lo antes dicho se plantean dos desafíos de tipo mecánico para poder poner a prueba

la pala que son la resistencia mecánica de la pala armada y la terminación superficial de

los perfiles.




Figura 2. Seccionado de la pala

3.6 Resistencia mecánica de la pala

Figura 3. Segmento de pala impreso




La pala es un elemento sometido a rotación lo cual nos induce a hacer un análisis sobre

cómo actúa la aceleración centrípeta, normal o radial. Considerando que la pala tiene un

movimiento de rotación con aceleración angular muy pequeña o nula, es decir que

despreciamos la aceleración tangencial respecto de la aceleración centrípeta. Podemos

considerar que está sometida a tracción en la dirección del eje y.

Además de la aceleración por la rotación hay dos esfuerzos que aparecen y son debido a

la sustentación y el arrastre por la interacción del perfil con el viento, que hay que tener

en cuenta porque solicitan al mismo a flexión y torsión es decir en otro plano distinto al

de tracción (figura 4).

Figura 4. Esquema simplificado de solicitaciones

Como los perfiles impresos carecen de resistencia mecánica suficiente para absorber los

esfuerzos anteriormente descriptos, proponemos un diseño en el cual se ingiere una

y

x

z

y

x

z φ0

φ0

hhub

Ejes coordenados




barra de un material adecuado en el interior de la pala para darle la resistencia mecánica

necesaria a la misma.

Tanto para el material como para el diseño de la barra se sugieren varias propuestas

producto de una tormenta de ideas y la selección adecuada quedará supeditada a una

matriz de decisión, figuras 5, 6 ,7 y 8

Figura 5. Espacio dedicado en el interior de la pala para el alojamiento del perfil resistente

Figura 6. Vista perfil 1




Figura 7. Imagen obtenida con SolidWork

Figura 8: Segmentos

3.7 Terminación superficial de los segmentos aerodinámicos

El desprendimiento de la capa límite generada sobre el perfil si bien depende de la

curvatura, ángulo de ataque y velocidad de rotación del perfil también depende de la

rugosidad del mismo. Como podemos observar en la figura 9 las huellas de las capas del

filamento plástico son importantes desde el punto de vista de la rugosidad superficial.

Para poder mejorar aplicamos una técnica de ataque químico que consiste en montar la

pala en una cabina cerrada y someterla a vapores del químico adecuado para el polímero




utilizado en la impresión. Dicho ataque debe ser estrictamente controlado ya que un

exceso del mismo genera deformaciones indeseables para el proyecto.

Figura 9. Rugosidad del material impreso

4. Resultados y Discusión

La elección del perfil no fue definido por un motivo particular. Hay una diferencia en

los perfiles que cambia el comportamiento aerodinámico de la pala, pero no fue una

elección puntual. Lo que se quiere lograr es una pala en método de prueba. El CLARK

Y en comparación con el NACA009 tiene una diferencia notoria en tamaño, que como

resultado hay diferencias de velocidades y una mayor fuerza de arrastre. Es un método de prueba ya que estamos trabajando con alumnos de primer año de Ingeniería

Mecánica. El mismo archivo donde se modeló la pala es fácilmente configurable para

otros perfiles.

Hay diferentes nomenclaturas utilizadas en la definición de los perfiles entre las que se

pueden citar la serie NACA (NationalAdvisoryCommitteeforAeronautics). Estas son

las más usadas en el diseño de perfiles aeroespaciales. Las cifras que van detrás de la

palabra NACA indican por su cantidad (cuatro o cinco cifras) y por su valor los datos

necesarios para poder determinar o construir un perfil.

Se dibuja primero la línea de curvatura media y se distribuye después sobre ella el

espesor correspondiente a un perfil simétrico; esto es se da una ley de curvatura y una

distribución de espesor.

El grupo de alumnos utilizó SolidWorks para transferir las ideas de diseño a un

programa CAD y producir el elemento pala. Este elemento se imprimió en una

impresora 3D teniendo como objetivo despertar el interés para el diseño de estos

elementos como modo de aprovechar las nuevas tecnologías.

Como puede observarse en la figura 10, el perfil aerodinámico responde a una

geometría plana que cuando se desplaza a través del aire se produce una distribución de

presiones que ocasionan arrastre y sustentación.




Figura 10. Distribución de presiones

El arrastre es la fuerza generada sobre un cuerpo que atraviesa un flujo de aire en

dirección al flujo incidente que trata de llevarlo con él, mientras que la sustentación se

define como la fuerza generada sobre un cuerpo que atraviesa un flujo de aire en

dirección perpendicular respecto a la dirección del flujo incidente.

El diseño aerodinámico configura la geometría de la pala. La definición de su forma

proviene de las consideraciones aerodinámicas y de estructura para proporcionarle

resistencia y confiabilidad que tendrá que verse para exigencia de carga.

5. Conclusiones

En este proyecto se han tratado diferentes aspectos. En ese sentido la impresora 3D, es

una herramienta con un gran potencial para fabricar prototipos y para poner en

funcionamiento diferentes ideas a los que da pie la imaginación. Debido al tiempo que

tarda en elaborar una pieza, por el momento, no es un dispositivo rentable para la

producción en serie. También podemos mencionar algunos obstáculos como las

limitaciones en la geometría de los perfiles de los aerogeneradores, la lentitud de

impresión y la más importante que es la resistencia de la pala en el banco de ensayo. Por

esta razón, en algunos casos nos hemos adaptado a las posibilidades de la impresora.

Con el presente proyecto se logró introducir al alumnado en el uso de herramientas para

el diseño y fabricación de prototipos para el modelado y análisis del comportamiento

del flujo de fluidos.




Los estudiantes adquirieron conocimientos sobre los fundamentos principales

relacionados con el proceso de diseño por ordenador y la fabricación de piezas, así

como en el análisis de su comportamiento al entrar en contacto con un fluido.

La técnica de prototipado por medio de la impresión 3D abrió un nuevo espacio de

estudio de materiales y compuestos de matriz polimérica que al menos en la currícula de

los cursos de la carrera de ingeniería mecánica de nuestra facultad no están incluidos.

Es destacable poder realizar en un mismo proyecto el diseño de una pieza, su

fabricación, el estudio de su comportamiento aerodinámico en un banco de ensayos y la

simulación del mismo mediante programas informáticos siendo que cada proceso se

suele estudiar de modo independiente.

Como estudios a futuro se deja una puerta abierta sobre la investigación y desarrollo de

nuevos polímeros más resistentes, con una mejor terminación superficial y lo que es

más interesante poder lograr la impresión de la pala para ser usada directamente en un

aerogenerador de serie.

Para tratar de lograr una pieza con mejores prestaciones hubo que ensayar previamente

con diferentes temperaturas de fusión, distintos flujos y distintas temperaturas de la

cama. El mundo de las impresoras 3D es muy extenso. Haciendo un análisis más amplio

del trabajo, encontramos que se hace necesario trabajar detalladamente con esta

tecnología para el proceso de conformado de la pieza y utilizando una máquina simple y

económica como lo es la impresora 3D. Nuestro próximo paso es poder diseñar e

imprimir el sistema mecánico por lo que habrá que trabajar sobre la transmisión y el

generador. En este trabajo nos hemos abocado a la construcción e impresión de la pala

que es onerosa y a la vez complicada. Como contrapartida podemos decir que los

procesos de impresión actuales no son lo suficientemente correctos para este tipo de

aplicación de ahí que se estuvo cambiando temperaturas y demás ya que es posible

configurar esos parámetros con la máquina. Hemos observado que el tipo de proceso de

superposición por capas hace que las propiedades mecánicas finales del material se vean

reducidas en cierta medida. Además el método de superposición de material en capas

produce el ―efecto escalera‖ en la superficie de la pieza, lo que genera cierta rugosidad

en la pala que hace que exista un postprocesado de mejora de la superficie para que ésta

sea lo más lisa posible, ya que este acabado está relacionado en cierta manera con su

rendimiento. Por último queremos destacar el enriquecimiento didáctico metodológico

que se ha generado con los alumnos de primer año de Ingeniería mecánica.

6. Referencias

[1] VAROL A. ; ILKILIC, C. ;VAROL, Y. (2001). Increasingtheefficiency of wind

turbines. JournalWindEngineering and Industrial Aerodynamics; 89:809-815

[2] BANSAL ,R.C.; BHATTI, T.S.; KOTHARI, D.P. (2002). On some of the design aspects of wind energy conversion systems.Energy Conversion and Management;

43(16)2175-2187. https://doi.org/10.1016/S0196-8904(01)00166-2

https://doi.org/10.1016/S0196-8904%2801%2900166-2




AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido realizado en el marco de los proyectos: "PrinTec 3D" (D9-UTN1860) y ―Estrategias

didácticas diversas y contextualizadas para la enseñanza de la física en las carreras de ingeniería (UTI

4551TC).

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